中心論題：
- 手機(jī)中的ESD保護(hù)部分
- ESD在設(shè)計(jì)中的選擇
- TVS二極管的優(yōu)勢(shì)
- TVS工作原理和基本參數(shù)選擇
- TVS二極管在超高速數(shù)據(jù)線路保護(hù)中的應(yīng)用
- PCB設(shè)計(jì)時(shí)的考慮
解決方案：
- 信號(hào)的數(shù)據(jù)傳輸速率越高，ESD保護(hù)二極管的電容負(fù)載效應(yīng)就要求越低
- TVS布局前的導(dǎo)線長(zhǎng)度應(yīng)該減到最小
靜電放電(ESD)是指兩個(gè)具有不同靜電電位的物體，由于直接接觸或靜電感應(yīng)而引起的兩物體間靜電電荷的轉(zhuǎn)移。當(dāng)靜電能量達(dá)到一定程度后，擊穿其間介質(zhì)而進(jìn)行放電的現(xiàn)象。因此，ESD保護(hù)無(wú)處不在，而ESD過(guò)壓保護(hù)則成為各種電子設(shè)備設(shè)計(jì)的基本要求。
最新的無(wú)線手持產(chǎn)品大多數(shù)都配備了高速數(shù)據(jù)接口、高分辨率LCD屏幕和相機(jī)模塊，甚至有些手機(jī)還具備接收電視節(jié)目的功能。雖然增加了很多新的功能，但手機(jī)尺寸仍在持續(xù)變薄變小。眾多功能匯聚在一個(gè)狹小空間內(nèi)，同時(shí)主要集成電路很多采用較先進(jìn)工藝制造，導(dǎo)致手機(jī)設(shè)計(jì)中的ESD問(wèn)題變得更加嚴(yán)重。它可能會(huì)造成手機(jī)工作異常、死機(jī)，甚至?xí)p傷手機(jī)。而這些問(wèn)題必須在手機(jī)設(shè)計(jì)的最初階段解決。
手機(jī)中的ESD保護(hù)部分
這里以手機(jī)為例。手機(jī)中需要進(jìn)行ESD防護(hù)的部位有：SIM卡接口電路；鍵盤電路；耳機(jī)和話筒電路；數(shù)據(jù)及USB端口；電源口；彩色LCD驅(qū)動(dòng)端口及LCD背光電路。
ESD在設(shè)計(jì)中的選擇
ESD保護(hù)在設(shè)計(jì)中應(yīng)該兼顧性能和成本。要注意以下幾個(gè)原則：
a.保護(hù)電路響應(yīng)速度要快—IEC61000-4-2波形的上升沿只有1ns。
b.能應(yīng)付大的瞬態(tài)電流。
c.考慮瞬態(tài)電壓在正負(fù)極性兩個(gè)方向發(fā)生。
d.對(duì)信號(hào)增加的電容負(fù)載效應(yīng)和電阻損耗效應(yīng)控制在允許范圍內(nèi)。
e.考慮體積因素以適應(yīng)輕巧的便攜式設(shè)備。
f.產(chǎn)品成本因素。
ESD保護(hù)在實(shí)現(xiàn)上基本有兩種方式：IC內(nèi)部的保護(hù)和IC外部的保護(hù)。前者雖然可以增加靠性，而且因不需要外部的保護(hù)而比較簡(jiǎn)單；但同樣，也會(huì)增大硅片面積，同時(shí)，因?yàn)楣杵屑纳娙莺图纳娮璧拇嬖?，?huì)引起信號(hào)之間的相互串?dāng)_。所以，現(xiàn)在外部的ESD保護(hù)方案應(yīng)用得越來(lái)越廣泛。外部ESD保護(hù)電路包括壓敏電阻、聚合物電阻、TVS雪崩二極管、肖特基二極管、磁珠/LC濾波器等。
其中TVS雪崩管以其卓越的鉗位功能、極低的擊穿電壓，極小的封裝，電氣特性在生命周期內(nèi)比較穩(wěn)定而得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。它最顯著的特點(diǎn)一是反應(yīng)迅速，使瞬時(shí)脈沖在沒(méi)有對(duì)線路或器件造成損傷之前就被有效地遏制，二是截止電壓比較低，更適用于電池供電的低電壓回路環(huán)境。另外對(duì)TVS二極管設(shè)計(jì)的改進(jìn)使其具有更低的漏電流和結(jié)電容，因而在處理高速率傳導(dǎo)回路的靜電沖擊時(shí)有更理想的性能表現(xiàn)。
當(dāng)一個(gè)浪涌電流的沖擊時(shí)，具有良好鉗位功能的TVS管在1ns時(shí)間內(nèi)就可以將瞬態(tài)電壓抑制到10.9V以下，從而使芯片的I/O口免受沖擊而損傷。而且它的電特性在ESD/浪涌沖擊之后沒(méi)有變化，所以壽命會(huì)比較長(zhǎng)。
TVS二極管的優(yōu)勢(shì)
TVS與齊納二極管：與傳統(tǒng)的齊納二極管相比，TVS二極管P/N結(jié)面積更大，這一結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)使TVS具有更強(qiáng)的高壓承受能力，同時(shí)也降低了電壓截止率，因而對(duì)于保護(hù)手持設(shè)備低工作電壓回路的安全具有更好效果。
TVS與陶瓷電容：很多設(shè)計(jì)人員愿意采用表面貼裝的陶瓷電容作ESD保護(hù)，不但便宜而且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便，但這類器件對(duì)高壓的承受力卻比較弱。5kV的沖擊會(huì)造成約10%陶瓷電容失效，到10kV時(shí)，損壞率達(dá)到60%，而TVS可以承受15kV電壓。在手持設(shè)備的使用過(guò)程中，由于與人體頻繁接觸，各個(gè)端口必須至少能夠承受8kV接觸沖擊(IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn))，可見(jiàn)使用TVS可以有效保證最終產(chǎn)品的合格率。
TVS與MLV：多層金屬氧化物結(jié)構(gòu)器件(MLV)也可以進(jìn)行有效的瞬時(shí)高壓沖擊抑制，此類器件具有非線性電壓-電流(阻抗表現(xiàn))關(guān)系，截止電壓可達(dá)最初中止電壓的2～3倍，這種特性適合用于對(duì)電壓不太敏感的線路和器件的保護(hù)，如電源回路。而TVS二極管具有更好的電壓截止因子，同時(shí)還具有較低的電容，這一點(diǎn)對(duì)于手持設(shè)備的高頻端口非常重要，因?yàn)檫^(guò)高的電容會(huì)影響數(shù)據(jù)傳輸，造成失真或是降級(jí)。TVS二極管的各種表面封裝均適合流水線裝配的要求，而且芯片結(jié)構(gòu)便于集成其它的功能，如EMI和RFI過(guò)濾保護(hù)等，可有效降低器件成本，優(yōu)化整體設(shè)計(jì)。
另一個(gè)不能忽略的特點(diǎn)是二極管可以很方便地與其它器件集成在一個(gè)芯片上，現(xiàn)有很多將EMI過(guò)濾和RFI防護(hù)等功能與TVS集成在一起的器件，不但減少設(shè)計(jì)所采用的器件數(shù)目降低成本，而且也避免PCB板上布線時(shí)易誘發(fā)的伴生自感。
TVS工作原理
處理瞬時(shí)脈沖對(duì)器件損害的最好辦法是將瞬時(shí)電流從敏感器件引開(kāi)。TVS二極管在線路板上與被保護(hù)線路并聯(lián)，當(dāng)瞬時(shí)電壓超過(guò)電路正常工作電壓后，TVS二極管便發(fā)生雪崩，提供給瞬時(shí)電流一個(gè)超低電阻通路，其結(jié)果是瞬時(shí)電流通過(guò)二極管被引開(kāi)，避開(kāi)被保護(hù)器件，并且在電壓恢復(fù)正常值之前使被保護(hù)回路一直保持截止電壓。當(dāng)瞬時(shí)脈沖結(jié)束以后，TVS二極管自動(dòng)回復(fù)高阻狀態(tài)，整個(gè)回路進(jìn)入正常電壓。
TVS基本參數(shù)選擇
在進(jìn)行TVS二極管選擇時(shí)，最基本的應(yīng)該使它的工作電壓VRWN?最大的總線電壓；鉗位電壓Vc?最大的IC工作電壓。單路封裝的TVS二極管使用簡(jiǎn)單靈活，PCB焊盤尺寸與0402、0603的分立器件兼容而受到廣泛應(yīng)用，缺點(diǎn)是封裝成本比較高。多路封裝的ESD陣列節(jié)省PCB面積，它的最大優(yōu)點(diǎn)就是：在外部尺寸極小的封裝內(nèi)提供兩個(gè)、四個(gè)、五個(gè)或六個(gè)TVS二極管。因此，比較適合在緊湊型手機(jī)上應(yīng)用。
英聯(lián)電子科技有限公司提供的四路TVS二極管UESD54B(SC-88A/SC-70封裝)和UESD55B(SC-89 封裝)、五路的UESD56B(SC-89封裝)以及六路的UESD57B(FBP1616P6 6L封裝)都非常適合此類應(yīng)用。
同時(shí)，ESD保護(hù)二極管被焊接在I/O連接器附近，用于防止61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的8KV接觸放電和15KV空氣放電時(shí)產(chǎn)生的任何損壞。這意味著當(dāng)通過(guò)一個(gè)330Ω電阻給一個(gè)150pF電容放電時(shí)，ESD保護(hù)二極管能夠抵抗15kV的電壓沖擊。
TVS二極管在超高速數(shù)據(jù)線路保護(hù)中的應(yīng)用
按照目標(biāo)應(yīng)用的信號(hào)傳輸速度選擇TVS二極管是設(shè)計(jì)高效ESD保護(hù)功能的關(guān)鍵之一?；旧?，信號(hào)的數(shù)據(jù)傳輸速率越高，ESD保護(hù)二極管的電容負(fù)載效應(yīng)就要求越低，只有這樣能才能使保護(hù)組件在電流信號(hào)上產(chǎn)生的損耗降至最低。
實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量結(jié)果顯示，寄生結(jié)電容高于3.5pF的ESD保護(hù)二極管可能會(huì)在高速數(shù)據(jù)傳輸時(shí)產(chǎn)生很大的信號(hào)衰減。結(jié)果可能導(dǎo)致USB2.0收發(fā)器無(wú)法正常讀取數(shù)據(jù)。而對(duì)于USB1.1接口，寄生電容大約50pF的二極管并不會(huì)構(gòu)成任何數(shù)據(jù)完整性問(wèn)題。這就是USB2.0的ESD保護(hù)組件的額定寄生電容在0V時(shí)通常要求低于3pF的主要原因。 例如，在USB2.0的情況中，因?yàn)閿?shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到480Mbps，所以需要ESD保護(hù)組件的電容極低
英聯(lián)電子科技有限公司新推出的UM5024，它的極間電容很小(Cj=0.9PF)，非常適合USB等高速信號(hào)線的應(yīng)用。
PCB設(shè)計(jì)時(shí)的考慮
不管選擇怎樣的TVS器件，它們?cè)陔娐钒迳系牟季址浅Ｖ匾?。TVS布局前的導(dǎo)線長(zhǎng)度應(yīng)該減到最小，因?yàn)榭焖?0.7ns)ESD放電電流在電感性布線上感應(yīng)出很高的電壓尖峰，影響ESD保護(hù)的性能。
另外，快速ESD脈沖可能在電路板上相鄰(平行)導(dǎo)線間產(chǎn)生感應(yīng)電壓。如果上述情況發(fā)生，由于將不會(huì)得到保護(hù)，因?yàn)楦袘?yīng)電壓路徑將成為另一條讓浪涌到達(dá)IC的路徑。因此，被保護(hù)的輸入線不應(yīng)該被放置在其它單獨(dú)、未受保護(hù)的走線旁邊。推薦的ESD抑制器件PCB布局方案應(yīng)該是：應(yīng)盡可能的濾除所有的I/O口的干擾信號(hào)，靠近連接器/觸點(diǎn)PCB側(cè)。圖五是PCB布局的建議.
走線時(shí)，盡可能縮短高頻元器件之間的連線，設(shè)法減少它們的分布參數(shù)和相互間的電磁干擾；輸入輸出端用的導(dǎo)線應(yīng)盡量避免相鄰平行。最好加線間地線，以免發(fā)生反饋藕合。圖六是布線時(shí)的優(yōu)化建議。
